基于交流電熱的微流體驅(qū)動(dòng)與混合及其生物實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、體外細(xì)胞及生物組織的動(dòng)態(tài)培養(yǎng)與藥物實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)人類(lèi)第三代醫(yī)療并解決藥物開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、耗資大等問(wèn)題的重要手段。微流控芯片技術(shù)具有耗材少、響應(yīng)快、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于以人類(lèi)細(xì)胞與組織的體外培養(yǎng)及測(cè)試為代表的相關(guān)領(lǐng)域。片上器官系統(tǒng)(Organs-on-a-chip)是微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方向的新突破，其最終目標(biāo)是將人體主要功能的片上器官芯片連起來(lái)形成有機(jī)整體，為體外細(xì)胞組織培養(yǎng)與藥物實(shí)驗(yàn)提供模擬人體的動(dòng)態(tài)環(huán)境。片上器官系統(tǒng)中流體的合理循

2、環(huán)泵送是實(shí)現(xiàn)片上器官系統(tǒng)基本功能的前提，但是目前的微流體驅(qū)動(dòng)形式并不能滿足片上器官系統(tǒng)的要求，成為片上器官系統(tǒng)研究進(jìn)程中的瓶頸。因此，探究合理的片上器官培養(yǎng)液的泵送方式對(duì)于實(shí)現(xiàn)微流控片上器官的核心功能具有重要意義。本文將針對(duì)體外細(xì)胞及組織芯片的動(dòng)力源及動(dòng)態(tài)培養(yǎng)等問(wèn)題展開(kāi)。
　　依托微型電極結(jié)構(gòu)及交流電場(chǎng)作用的交流電動(dòng)微流體驅(qū)動(dòng)方式是芯片集成動(dòng)力源的研究熱點(diǎn)，其主要包含交流電滲與交流電熱兩種方式。交流電滲適用于對(duì)電導(dǎo)率較低的流體進(jìn)行

3、操控，而交流電熱適合操控電導(dǎo)率較高的溶液，特別適合成為以生物培養(yǎng)液為代表的高電導(dǎo)率溶液的動(dòng)力源。本文首先研究交流電熱的基本理論，針對(duì)線性模型難以準(zhǔn)確描述高電導(dǎo)率(大于1.5Sm-1)流體電熱行為的問(wèn)題，建立了多物理場(chǎng)耦合的增強(qiáng)型交流電熱模型，并推導(dǎo)了電體積力中多參數(shù)隨溫度變化的表達(dá)式，為理論預(yù)測(cè)交流電熱流體驅(qū)動(dòng)特征奠定基礎(chǔ)。
　　為探求細(xì)胞及組織體外動(dòng)態(tài)培養(yǎng)與傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)的差異性，以傳統(tǒng)注射泵為動(dòng)力源，設(shè)計(jì)了多功能可重封灌注式生物

4、反應(yīng)器。反應(yīng)器中的動(dòng)態(tài)環(huán)境對(duì)細(xì)胞及組織提供了一個(gè)模擬人體的動(dòng)態(tài)生存環(huán)境。低濃度人體腎臟胚胎細(xì)胞(HEK293T)與人體結(jié)腸癌細(xì)胞(SW620)在芯片中二維平面培養(yǎng)72h。通過(guò)細(xì)胞形態(tài)、密度、存活率與生長(zhǎng)率對(duì)比動(dòng)態(tài)培養(yǎng)與靜態(tài)培養(yǎng)的差異。在芯片中通過(guò)對(duì)永生化皮膚細(xì)胞(HaCaT)進(jìn)行生長(zhǎng)期7天、分化期35天的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)培養(yǎng)，成功地重建了人體表皮結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)7天生長(zhǎng)期培養(yǎng)的單層表皮組織中細(xì)胞存活率、生長(zhǎng)率、上皮鈣粘著蛋白熒光標(biāo)記染色，及35天分

5、化期后的表皮組織工程學(xué)切片的蘇木精–伊紅及抗原抗體熒光標(biāo)記染色，對(duì)比分析了傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)與灌注動(dòng)態(tài)培養(yǎng)的差異，并說(shuō)明動(dòng)態(tài)培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)。
　　交流電熱驅(qū)動(dòng)高電導(dǎo)率流體會(huì)在驅(qū)動(dòng)電極周?chē)a(chǎn)生一定的溫升，為避免電場(chǎng)及高溫對(duì)細(xì)胞的傷害，將自循環(huán)芯片設(shè)計(jì)成細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)與泵送區(qū)分離的環(huán)形通道，并用熱電偶溫度傳感器分別對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)與泵送區(qū)進(jìn)行溫度檢驗(yàn)。泵送區(qū)通過(guò)三十對(duì)電極產(chǎn)生交流電熱驅(qū)動(dòng)芯片中的流體，并用熒光微球作為示蹤粒子測(cè)量流體驅(qū)動(dòng)速率。以電壓幅值

6、為3V、頻率為10MHz的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片，對(duì)HEK293T細(xì)胞與SW620細(xì)胞分別動(dòng)態(tài)培養(yǎng)72h。結(jié)果表明細(xì)胞生長(zhǎng)良好，揭示了交流電熱自循環(huán)芯片在細(xì)胞培養(yǎng)中的優(yōu)勢(shì)。對(duì)自循環(huán)芯片電極參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，并改良微通道的形狀，減少自循環(huán)芯片中的流阻。最后，用不同濃度的抗癌藥物5-氟尿嘧啶在片上對(duì)SW620細(xì)胞進(jìn)行藥物實(shí)驗(yàn)，得出SW620細(xì)胞對(duì)不同濃度5-氟尿嘧啶的片上耐藥曲線。
　　為解決片上器官系統(tǒng)中不同溶液的混合問(wèn)題，設(shè)計(jì)產(chǎn)生混合作用的重